DE102006059233A1 - Energy storing in and storing out method for use in e.g. sea, involves permitting lifting body to be raised to smaller liquid depth in reverse direction for storing out energy so that energy is converted into electrical energy by converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wechselweisen Ein- und Ausspeicherung von Energie zwecks temporärer Erzeugung elektrischer Energie, bei dem ein Energiespeichermedium zur Einspeicherung mittels eines Antriebes von einem niedrigen Energiepotential durch Überwindung einer Höhendifferenz zu einem hohen Energiepotential transportiert wird und dort abrufbereit gehalten werden kann und bei dem sich das Energiespeichermedium zur Ausspeicherung in umgekehrter Richtung bewegt und die dabei frei werdende Energie über einen Umwandler in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Speichervorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The The invention relates to a method for the alternate injection and withdrawal of energy in order to temporary Generation of electrical energy, in which an energy storage medium for storage by means of a drive of a low energy potential by overcoming a height difference is transported to a high energy potential and there on call can be held and in which the energy storage medium moved to the withdrawal in the opposite direction and the case energy released over a converter is converted into electrical energy. The invention further relates to a memory device for performing this Process.
Für eine sichere Versorgung des Elektrizitätsnetzes mit elektrischem Strom ist es erforderlich, das Stromaufkommen an die über den Tag schwankende Nachfrage anzupassen. Um eine gewünschte Anpassungsfähigkeit zu gewährleisten, bestehen neben den Grundlastkraftwerken Mittelleistungs- und Spitzenkraftwerke, beispielsweise Gasturbinen- und Verbrennungsmotoren-Kraftwerke, die am Tag erforderlichenfalls mehrfach an- und abgefahren werden können und sich durch kurze Anfahrtszeiten und hohe Leistungsänderungsgeschwindigkeiten auszeichnen.For a safe Supply of the electricity network with electricity it is necessary to increase the amount of electricity the above to adjust the day to fluctuating demand. To a desired adaptability to insure in addition to the base load power plants medium power and peak power plants, for example Gas turbine and internal combustion engine power plants, the day if necessary can be approached and departed several times and by short journey times and high power change speeds distinguished.
Dem gleichen Zweck dienen Speicherwerke, bei denen Energie in einem Energiespeichermedium eingespeichert und bei Bedarf schnell wieder ausgespeichert werden kann. Die Einspeicherung erfolgt bei einem Überangebot von elektrischem Strom, weil der Strom dann billig ist, während die Ausspeicherung bei einem Unterangebot zwecks Zufuhr zusätzlicher elektrischer Energie stattfindet. Dies führt zu einer größeren Netzverträglichkeit und passt den Strom aus den Grundlastkraftwerken an die schwankende Nachfrage an. Durch Speicherwerke können Strompreisänderungen ökonomisch genutzt werden, indem billiger Strom bei Überangebot nicht verkauft wird, sondern in den Energiespeicher eingespeist wird und später bei Energiemangel zu einem höheren Preis ins Stromnetz eingespeist wird.the same purpose serve storage facilities, where energy in one Energy storage medium stored and quickly when needed again can be stored. The storage takes place in case of oversupply of electricity, because the electricity is then cheap, while the Withdrawal from a sub-bid to supply additional electrical energy takes place. This leads to greater network compatibility and adjusts the electricity from the base load power plants to the fluctuating one Demand. Through storage plants, electricity price changes can be economical be used by selling cheap electricity in case of oversupply, but is fed into the energy storage and later at Energy shortage at a higher price is fed into the power grid.
Schwankungsprobleme gibt es aber nicht nur auf der Nachfrageseite, sondern auch bei der Einspeisung von Strom in das Elektrizitätsnetz. Diese werden verursacht durch die zunehmende Anzahl von Kraftwerken, die mit erneuerbaren bzw. regenerativen Energien betrieben werden, die starken Schwankungen unterliegen. Hierzu zählen insbesondere Wind- und Solarkraftwerke. Deren Anteil an der Ge samtstromerzeugung ist mittlerweile so groß, dass es bei mangelndem Wind und/oder zu geringer Sonneneinstrahlung zu kurzzeitigen Spannungseinbrüchen im Stromnetz kommt, wobei 30% der Spannungseinbrüche weniger als eine Sekunde dauern.fluctuation problems But there is not only on the demand side, but also at the feeding of electricity into the electricity grid. These are caused by the increasing number of power plants using renewable or renewable energies are operated, the strong fluctuations subject. Which includes in particular wind and solar power plants. Their share in total electricity generation is now so big that it in case of lack of wind and / or too little sunlight too short-term voltage drops comes in the power grid, with 30% of the voltage drops less than a second to last; to endure, to continue.
Als Speicherwerke sind seit langem Pumpspeicherwerke bekannt, bei denen in Zeiträumen von Stromüberschuss Wasser als Energiespeichermedium aus einem geographisch niedrigliegenden Wasserreservoir, beispielsweise einem Fluss oder einem See, in einen höher gelegenen Stausee hochgepumpt wird und hierdurch das Energiepotential des Wassers entsprechend der dabei überwundenen Höhendifferenz erhöht wird. Bei Strombedarf wird das gestaute Wasser über große Fallrohre Wasserturbinen zugeleitet, die auf dem Niveau des niedriggelegenen Wasserreservoirs stehen. Solche Pumpspeicherwerke haben eine relativ lange Reaktionszeit, und ihrer weiteren Verbreitung steht der Umstand entgegen, dass es in Deutschland keine geeigneten Standorte mehr gibt, ein Ausbau der Kapazitäten also nicht mehr möglich ist. Hinzu kommt, dass durch Verdunstung der meist sehr großen Wasserfläche Stand-by-Verluste und durch die Wasserströmung in den Rohren Reibungsverluste entstehen, die die Effizienz des Pumpspeicherwerks beeinträchtigen.When Storage facilities have long been known pumped storage plants, in which in periods from surplus electricity Water as an energy storage medium from a geographically low lying Water reservoir, such as a river or a lake, in one higher altitude Reservoir is pumped up and thereby the energy potential of the water according to the thereby overcome height difference elevated becomes. When electricity is needed, the dammed up water is pumped through large downpipes into water turbines fed at the level of the low water reservoir stand. Such pumped storage plants have a relatively long reaction time, and their further dissemination is contrary to the fact that it is in Germany no more suitable locations, an expansion of the capacities not possible anymore is. In addition, by evaporation of the usually very large water surface stand-by losses and by the water flow in the pipes friction losses occur, which increase the efficiency of the Impaired pumped storage plant.
Daneben sind weitere Speicherwerke bekannt. Bei Druckluftspeicherwerken werden mit Energie aus überschüssigem Strom Luftmassen komprimiert und beispielsweise in Salz kavernen gespeichert. Bei Strombedarf wird diese Luft entnommen und kann mithelfen, eine Gasturbine anzutreiben. Zur Steigerung der Effizienz wird bei adiabatem Speichern die beim Verdichten anfallende Wärme ebenfalls gespeichert und bei Bedarf der Turbine zugeführt. Nachteilig bei solchen Druckluftspeicherwerken ist deren niedriger, zwischen 42 und 55% liegender Wirkungsgrad. Außerdem können solche Speicherwerke nur dort vorgesehen werden, wo entsprechende geologische Verhältnisse (große unterirdische Kavernen, Salzstöcke etc.) die Speicherung der Druckluft ermöglichen.Besides are more storage known. For compressed air storage units become energy from excess electricity Compressed air masses and stored for example in salt caverns. When power is needed, this air is taken and can help, a Power gas turbine. To increase efficiency is at adiabatem Save the heat generated during compaction also stored and supplied to the turbine as needed. A disadvantage of such compressed air storage units is their lower, between 42 and 55% efficiency. In addition, such storage only be provided where appropriate geological conditions (size underground caverns, salt domes etc.) allow the storage of compressed air.
Bekannt sind ferner Schwungradspeicher, bei denen ein Schwungrad mit überschüssiger Energie in Rotation versetzt, die Energie also als Rotationsenergie gespeichert wird. Bei Bedarf wird das Schwungrad abgebremst und hierdurch die zuvor eingespeicherte Energie ausgespeichert. Nachteil bei Schwungradspeichern ist die relativ niedrige speicherbare Energiemenge und daher die relativ geringen Ausspeicherzeiten. Zudem entstehen durch Reibung hohe Stand-by-Verluste in der Größenordnung zwischen 3 bis 20% pro Stunde, so dass solche Energiespeicher für den Einsatz über einen längeren Zeitraum nicht geeignet sind.Known are also flywheel storage, where a flywheel with excess energy set in rotation, the energy stored as rotational energy becomes. If necessary, the flywheel is braked and thereby the previously stored stored energy. Disadvantage of flywheel storage is the relatively low storable amount of energy and therefore the relatively low withdrawal times. In addition, caused by friction high stand-by losses of the order of magnitude between 3 to 20% per hour, allowing such energy storage for use over a longer period are not suitable.
Eine Speicherung überschüssiger elektrischer Energie kann auch über Kondensatoren erfolgen, die bei Strombedarf entladen werden. Der Nachteil von Kondensatoren liegt in der geringen speicherbaren Energiemenge. Deshalb beträgt die Dauer der Ausspeicherung weniger als 1 Sekunde. Zudem sind Kondensatoren teuer.A Storing excess electrical Energy can also be over Capacitors take place, which are discharged when power is needed. Of the The disadvantage of capacitors lies in the small amount of energy that can be stored. That is why the Duration of the withdrawal less than 1 second. There are also capacitors expensive.
Eine weitere Möglichkeit der Speicherung besteht in supraleitenden magnetischen Energiespeichern. In einer Spule kann überschüssige Energie in Form eines Magnetfeldes gespeichert werden, wobei Supraleiter zur Minimierung der Verluste beim Stromfluss durch die Spule eingesetzt werden. Solche Energiespeicher befinden sich noch im Entwicklungsstadium. Die notwendige Kühlung der Supraleiter führt zu einem Verlust in der Energiebilanz. Zudem sind der Preis noch sehr hoch und die mögliche Energiespeicherung nur mittelmäßig.A another possibility The storage consists in superconducting magnetic energy storage. In a coil can excess energy be stored in the form of a magnetic field, using superconductors used to minimize the losses in the current flow through the coil become. Such energy storage are still in the development stage. The necessary cooling the superconductor leads to a loss in the energy balance. In addition, the price is still very high and the potential energy storage only mediocre.
Ein klassischer Energiespeicher sind Batterien, in denen überschüssiger Strom in Form von elektrochemischer Energie gespeichert werden kann. Ein Hauptnachteil von Batterien ist ihre Begrenzung bezüglich der Anzahl der Ladezyklen mit der Folge, dass sie noch einer bestimmten Ladezyklenanzahl ersetzt werden müssen. Außerdem sind Batterien ein teures Energiespeichermedium.One Classic energy storage are batteries in which excess electricity can be stored in the form of electrochemical energy. A major disadvantage of batteries is their limitation on the number of charge cycles with the result that it still replaces a certain charge cycle number Need to become. Furthermore Batteries are an expensive energy storage medium.
Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, überschüssigen Strom durch Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse zu speichern, d.h. durch Speicherung des Stroms in Form chemischer Energie. Über eine Brennstoffzelle kann aus Wasserstoff und Sauerstoff Strom wiedergewonnen werden. Der Hauptnachteil dieser Form von Energiespeicherung besteht in dem relativ nied rigen Gesamtwirkungsgrad in der Größenordnung von nur 25%. Zudem gibt es noch keine befriedigende Lösung für die Speicherung von Wasserstoff über längere Zeiträume, da es dann zu Wasserstoffverlusten kommt, die die Gesamtbilanz noch weiter verschlechtern.Finally exists even the possibility of excess electricity by splitting water into hydrogen and oxygen by means of To store electrolysis, i. by storing the stream in the form chemical energy. about a fuel cell can recover electricity from hydrogen and oxygen become. The main disadvantage of this form of energy storage is in the relatively low overall efficiency on the order of only 25%. In addition, there is still no satisfactory solution for storage of hydrogen for extended periods of time it then comes to hydrogen losses, the total balance still continue to worsen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur wechselweisen Ein- und Ausspeicherung von Energie zwecks temporärer Erzeugung elektrischer Energie so zu gestalten, dass große Energiemengen speicherbar und demgemäß große Leistungen abrufbar sind, keine Stand-by-Verluste entstehen, eine hohe Effizienz erzielt wird, eine hohe Zyklenzahl möglich ist und die Speichervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einen geringen spezifischen Preis hat. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Speichervorrichtung zu konzipieren, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.Of the Invention is based on the object, a method for alternating Storage and withdrawal of energy for the purpose of temporary generation of electrical energy Energy can be designed so that large amounts of energy can be stored and accordingly great benefits are available, no standby losses occur, high efficiency is achieved, a high number of cycles is possible and the memory device for performing the method low specific price. Another task is to design a memory device with which the method is performed can.
Zur Lösung des ersten Teils der Aufgabe wird von einem Verfahren ausgegangen, bei dem – wie bei einem Pumpspeicherwerk – ein Energiespeichermedium zur Einspeicherung mittels eines Antriebes von einem niedrigen Energiepotential durch Überwindung einer Höhendifferenz zu einem hohen Energiepotential transportiert wird und dort abrufbereit gehalten werden kann und bei dem sich das Energiespeichermedium zur Ausspeicherung in umgekehrter Richtung bewegt und die dabei frei werdende Energie über einen Umwandler in elektrische Energie umgewandelt wird. In Abweichung zu dem Pumpspeicherwerk, bei dem das Energie speichermedium Wasser ist, ist das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeichermedium ein in eine Flüssigkeit eingetauchter Auftriebskörper verwendet wird, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als das der Flüssigkeit, und dass der Auftriebskörper zur Einspeicherung in eine große Flüssigkeitstiefe zwecks Erzielung eines hohen Energiepotentials abgesenkt wird und dort abrufbereit haltbar ist und dass der Auftriebskörper zur Ausspeicherung in Richtung auf die geringe Flüssigkeitstiefe auftreiben gelassen wird und dabei über den Umwandler elektrische Energie erzeugt.to solution the first part of the task is based on a procedure in which - as in a pumped storage plant - a Energy storage medium for storage by means of a drive of a low energy potential by overcoming a height difference is transported to a high energy potential and there on call can be held and in which the energy storage medium moved to the withdrawal in the opposite direction and the case energy released over a converter is converted into electrical energy. In deviation to the pumped storage plant, where the energy storage medium water is, the method according to the present invention is characterized in that a buoyancy body immersed in a liquid is used as the energy storage medium whose specific gravity is lower than that of the liquid, and that the buoyancy body for storage in a large liquid depth is lowered in order to achieve a high energy potential and there is ready for take-off and that the buoyancy body for the withdrawal in Direction to the low fluid depth can be driven up while using the converter electrical Energy generated.
Grundgedanke der Erfindung ist es also, Energie in einem Auftriebskörper zu speichern, der in einer Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Verbringung des Auftriebskörper in eine vorbestimmte Tiefe geschieht mittels eines Antriebs, welcher Art auch immer. Dort kann der Auftriebskörper abrufbereit festgehalten werden. Bei Strombedarf wird der Auftriebskörper auftreiben gelassen. Der Auftriebskörper ist mit dem Umwandler, beispielsweise einem Generator, derart verbunden, dass die Auftriebsbewegung des Auftriebskörpers in dem Umwandler in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese kann dann z.B. in das Elektrizitätsnetz eingespeist werden.basic idea The invention is therefore to energy in a buoyant body Save that in a liquid is immersed. The shipment of the buoyant body to a predetermined depth happens by means of a drive of whatever kind. There can the buoyancy body be held ready for call. When there is a demand for electricity, the buoyant body will come up calmly. The buoyancy body is connected to the converter, for example a generator, in such a way that that the buoyancy movement of the buoyant body in the converter into electrical Energy is converted. This can then be e.g. fed into the electricity grid become.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Abgesehen vom Pumpspeicherwerk sind gegenüber den anderen Speicherkraftwerken deutlich größere Energiemengen speicher- und abrufbar. Die Größe der speicherbaren Energiemenge kann durch die Größe des Volumens des Auftriebskörpers und die der Höhendifferenz zwischen den Bewegungsendpunkten des Auftriebskörpers in weiten Bereichen an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Der Wirkungsgrad der Speicherung ist höher als bei allen anderen bekannten Energiespeichern, da die Energie direkt in mechanische Energie gespeichert wird und bei der Ausspeicherung nur geringe Verluste durch den Strömungswiderstand des Antriebskörpers entstehen. Hinzu kommt, dass bei der Bereithaltung der gespeicherten Energie keine Stand-by-Verluste entstehen. Die Einspeicherung lässt sich zudem – abgesehen von der Lebensdauer der am System beteiligten mechanischen Teile – beliebig wiederholen. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich durch einen in Bezug auf die einspeicherbare Energie geringen spezifischen Preis aus.The inventive method is characterized by a number of advantages. Apart from Pumped storage are opposite the other storage power plants store significantly larger amounts of energy. and available. The size of the storable Energy quantity can be determined by the size of the volume the buoyancy body and the height difference between the movement end points of the buoyant body in a wide range the respective needs be adjusted. The efficiency of storage is higher than with all other known energy stores, because the energy is direct is stored in mechanical energy and during the withdrawal only small losses caused by the flow resistance of the drive body. On top of that, in the provision of the stored energy no standby losses occur. The storage can be besides - apart on the life of the mechanical parts involved in the system - arbitrary to repeat. An apparatus for performing the method records by a low in terms of storable energy specific price.
Darüber hinaus lässt sich das Verfahren sehr flexibel einsetzen. Zwar ist Voraussetzung für dessen Durchführung das Vorhandenseins eines Flüssigkeitsreservoirs mit einer den jeweiligen Speicheranforderungen genügenden Tiefe. Bei geringen Anforderungen kann dies schon ein angepasst dimensionierter Brunnen sein. In besonderer Weise eignet sich das Verfahren aber für den Einsatz in künstlichen Seen, beispielsweise Stauseen, natürlichen Seen oder im Meer, bei entsprechenden Wassertiefen auch in bewegten Flüssigkeitsreservoirs wie Flüssen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Ausspeicherungszeiten von Mi nuten bis einigen Stunden und dabei Leistungen von mehreren 100 MW erzielen.In addition, the process can be used very flexibly. Although the prerequisite for its implementation is the presence of a liquid reservoir with a depth sufficient for the respective storage requirements. For small requirements, this can already be a well dimensioned. Particularly suitable However, the process for use in artificial lakes, such as reservoirs, natural lakes or in the sea, with corresponding water depths in moving liquid reservoirs such as rivers. With the method according to the invention can be Aussticherungszeiten of minutes to a few hours and thereby achieve outputs of several 100 MW.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich der Auftriebskörper und damit das Energiespeichermedium unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche befindet und daher unsichtbar ist mit der Folge, dass durch ihn keine optische Beeinträchtigung verursacht wird.One Another advantage of the method according to the invention is that the buoyancy body and thus the energy storage medium is located below the liquid surface and therefore invisible with the consequence that through it no optical impairment is caused.
Es versteht sich, dass nicht nur ein einziger Auftriebskörper, sondern mehrere Auftriebskörper vorhanden sein können, die bei dem Verfahren gleichzeitig oder abwechselnd zur Anwendung kommen. Ebenso können mehrere Antriebe für die Einspeicherung von Energie und auch mehrere Umwandler zur Erzeugung der elektrischen Energie vorgesehen sein. Die insoweit verwendete Einzahl ist deshalb nicht so zu verstehen, dass nur ein einziger Auftriebskörper, Antrieb oder Umwandler vorhanden sind.It It is understood that not only a single buoyancy body, but several buoyancy bodies available could be, used in the process simultaneously or alternately come. Likewise several drives for the storage of energy and also several converters for generation be provided of electrical energy. The used so far Einzahl is therefore not to be understood that only a single buoyancy body, drive or converters are present.
Gemäß dem Hauptzweck des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die von dem Umwandler erzeugte elektrische Energie in ein Elektrizitätsnetz – dabei kann es sich auch um ein lokales Inselnetz handeln – eingespeist wird, und zwar vorzugsweise nur dann, wenn Strombedarf besteht und Spannungseinbrüche vermieden werden sollen. Für die Einspeicherung von Energie mittels des Auftriebskörpers sollte ein elektrischer Antrieb verwendet werden. Dieser eröffnet die Möglichkeit, die elektrische Energie für den Antrieb aus dem Elektrizitätsnetz zu gewinnen, und zwar vorzugsweise dann, wenn ein Stromüberschuss besteht und deshalb Strom relativ preiswert gekauft werden kann. In beiden Fällen tritt eine Stromglättung ein, die die Elektrizitätsleitungen besser auslastet und die Netzspannung und -frequenz stabil hält.According to the main purpose the method according to the invention is provided that the electrical generated by the converter Energy in an electricity grid - there it can also be a local island grid - fed is, and preferably only when power is needed and voltage dips avoided should be. For the Storage of energy by means of the buoyant body should an electric drive can be used. This opens the Possibility, the electrical energy for the drive from the electricity grid to win, and preferably when there is an excess of electricity exists and therefore electricity can be purchased relatively inexpensively. In both cases occurs a current smoothing one, the electricity lines better utilization and keeps the mains voltage and frequency stable.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise in Verbindung mit Kraftwerken, bei denen Elektrizität aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, die schwankend anfallen. Solche Kraftwerke sind insbesondere Wind- und Fotovoltaik-Solarkraftwerke, deren Elektrizitätserzeugung bei zu geringem Wind bzw. zu geringem Lichteinfall völlig ausfallen kann. Es können auch Kraftwerke sein, die die Energie von Meeresströmungen nutzen. In allen Fällen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren temporär elektrischer Strom in das Elektrizitätsnetz eingespeist und damit die Stromerzeugung durch das Kraftwerk ersetzt werden. Ist ausreichend Wind bzw. Licht bzw. Meereströmung vorhanden, kann die durch das Kraftwerk erzeugte Energie dazu genutzt werden, dem Antrieb zugeführt zu werden, um den Auftriebskörper wieder abzusenken.The inventive method is particularly suitable in conjunction with power plants, in which electricity produced from renewable energy sources that fluctuate. Such power plants are in particular wind and photovoltaic solar power plants whose electricity generation in case of too little wind or too little light can. It can also be power plants that use the energy of ocean currents. In all cases can with the inventive method temporarily electrical Electricity fed into the electricity grid and thus the generation of power by the power plant will be replaced. Is sufficient wind or light or sea current available, the through the power plant used to be used to power the drive supplied to become the buoyant body lower again.
Sofern das Kraftwerk als Windkraftwerk ausgebildet ist, kommt neben dem vorbeschriebenen elektrischen Antrieb auch ein mechanischer Antrieb in Frage, mit dessen Hilfe der Auftriebskörper zwecks Einspeicherung von Energie abgesenkt wird. Dabei bildet der durch Windkraft in Drehung versetzte Rotor den mechanischen Antrieb. Beide alterna tiven Maßnahmen führen zu einer Glättung der Stromproduktion am Erzeugungsort selbst. Hierdurch können Stromleitungen besser ausgelastet werden.Provided The power plant is designed as a wind power plant, comes next to the above-described electric drive also a mechanical drive in Question, with the help of the buoyancy body for the purpose of storage is lowered by energy. It forms by wind power in Rotation staggered rotor the mechanical drive. Both alternatives activities to lead to a smoothing electricity production at the place of production itself be better utilized.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass als Energiespeichermedium zusätzlich ein Gewichtskörper – es können auch mehrere Gewichtskörper sein – verwendet wird, dessen spezifisches Gewicht größer ist als das der Flüssigkeit, und dass der Gewichtskörper zur Einspeicherung mittels eines Antriebs – dies kann auch der Antrieb für die Absenkung des Auftriebskörpers sein – angehoben wird und dort abrufbereit haltbar ist und dass der Gewichtskörper zur Ausspeicherung absenken gelassen wird, wobei der Gewichtskörper derart mit einem Umwandler – dabei kann es sich auch um den mit dem Auftriebskörper gekoppelten Umwandler handeln – verbunden ist, dass die Absenkbewegung in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Bewegung des Gewichtskörpers kann dabei auch oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche geschehen, zumal dort der Strömungswiderstand vergleichsweise gering ist. Aus optischen Gründen kann es jedoch sinnvoll sein, dass der Bewegungsbereich des Gewichtskörpers wie der des Auftriebskörpers unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt, der Gewichtskörper also zwischen einer geringen und einer großen Flüssigkeitstiefe hin- und herbewegt wird. Der Gewichtskörper unterstützt die Speicherwirkung des Auftriebskörpers.To Another feature of the invention is that as an energy storage medium additionally a weight body - it can too several weight bodies be - used whose specific gravity is greater than that of the liquid, and that the weight body for storage by means of a drive - this can also drive for the Lowering the buoyancy body be - raised and is there on call durable and that the weight body to Allowing withdrawal is lowered, wherein the weight body with so a converter - here it may also be the transducer coupled to the buoyant body act - connected is that the lowering movement is converted into electrical energy becomes. The movement of the weight body can also be done above the liquid surface, especially there the flow resistance is comparatively low. For optical reasons, however, it may make sense be that the range of motion of the weight body as that of the buoyant body below the Liquid surface is, the weight body so moved between a small and a large liquid depth back and forth becomes. The weight body supports the storage effect of the buoyant body.
Was den zweiten, sich auf die Speichervorrichtung beziehenden Teil der Aufgabe betrifft, besteht die Erfindung darin, dass das Energiespeichermedium als ein in eine Flüssigkeit eingetauchter Auftriebskörper ausgebildet ist, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als das der Flüssigkeit, und dass der Auftriebskörper zwischen einer großen und einer niedrigen Flüssigkeitstiefe beweglich geführt ist und mit dem Antrieb derart verbunden ist, dass der Auftriebskörper durch den Antrieb aus der niedrigen Flüssigkeitstiefe in die große Flüssigkeitstiefe absenkbar ist, und dass der Auftriebskörper mit dem Umwandler derart verbunden ist, dass seine Bewegung in Richtung auf die niedrige Flüssigkeitstiefe in elektrische Energie umgewandelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch die schon im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile aus. Dabei kann die Speichervorrichtung als einzelnes Speicherwerk ausgebildet sein, das in tiefen Seen oder im Meer einsetzbar ist und über Kabel mit dem Elektrizitätsnetz zwecks Stabilisierung von Stromspannung und -frequenz verbunden ist. Je nach zur Verfügung stehender Tiefe und damit zu verwirklichender Höhendifferenz zwischen niedriger und großer Flüssigkeitstiefe und damit entsprechender Dimensionierung der Vorrichtung und des Auftriebskörpers lassen sich Kapazitäten von einigen 100 MWh und Leistungen von einigen 100 MW erzielen.With regard to the second part of the object relating to the storage device, the invention consists in that the energy storage medium is designed as a buoyant body immersed in a liquid whose specific gravity is lower than that of the liquid, and in that the buoyant body is between a large and a buoyant body a low fluid depth is movably guided and connected to the drive such that the buoyancy body is lowered by the drive from the low fluid depth into the large fluid depth, and that the buoyant body is connected to the converter such that its movement in the direction of the low Fluid depth is converted into electrical energy. The device according to the invention is distinguished by the advantages already mentioned in connection with the method. The memory can be be formed as a single storage plant, which is used in deep lakes or in the sea and is connected via cables to the electricity grid for the purpose of stabilizing the voltage and frequency. Depending on the available depth and thus to be realized height difference between low and large liquid depth and thus appropriate dimensioning of the device and the buoyant body can be achieved capacities of some 100 MWh and powers of some 100 MW.
Der Antrieb für die Absenkung des Auftriebskörpers kann als Elektromotor und der Umwandler als Generator ausge bildet sein. Sind beide vorhanden, bietet es sich an, Elektromotor und Generator als Einheit auszubilden, so dass dasselbe Gerät bei der Einspeicherung als Elektromotor und bei der Ausspeicherung als Generator arbeitet.Of the Drive for the lowering of the buoyant body can be out as an electric motor and the converter out as a generator be. If both are present, it lends itself to electric motor and Form generator as a unit, so that the same device in the Storage as electric motor and during the withdrawal as generator is working.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anterieb und/oder der Umwandler mit einem Elektrizitätsnetz lokaler ober überregionaler Verbreitung verbunden ist, damit der von dem Umwandler erzeugte elektrische Strom bei Bedarf in das Elektrizitätsnetz eingespeist werden kann. Die Verbindung zum Elektrizitätsnetz ermöglicht es für den Fall, dass der Antrieb für die Absenkung des Auftriebskörpers als Elektromotor ausgebildet ist, die elektrische Energie hierfür aus dem Elektrizitätsnetz zu gewinnen, und zwar vorzugsweise dann, wenn ein Stromüberschuss besteht und deshalb Strom relativ preiswert eingekauft werden kann.To Another feature of the invention is that the anterieb and / or the converter with a local electricity network supra-regional Dissemination is linked to that generated by the converter electric power can be fed into the electricity grid when needed. The Connection to the electricity grid allows it for the case that the drive for the lowering of the buoyant body is designed as an electric motor, the electrical energy for this from the Electricity network too win, and preferably when an excess of electricity exists and therefore electricity can be purchased relatively inexpensively.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich vor allem zur Integration in ein Kraftwerk, und zwar vorzugsweise ein solches Kraftwerk, das elektrischen Strom aus schwankend anfallenden, erneuerbaren Energien erzeugt. Solche Kraftwerke sind vor allem Windkraftwerke mit einem Rotor und einem Generator und/oder Solarkraftwerke auf Basis von Solarkollektoren und/oder Fotovoltaikelementen und/oder Kraftwerken zur Nutzung von Meeresströmungen. Solche integrativen Lösungen bieten Synergieeffekte, weil vorhandene Installationen des Kraftwerks, beispielsweise Fundamente, Türme, Masten, Generatoren oder Getriebe, für die erfindungsgemäße Speichervorrichtung genutzt werden können. Außerdem bietet diese Integration die Möglichkeit, die Glättung der Stromproduktion schon am Erzeugungsort selbst vorzunehmen und dadurch die Stromleitungen gleichmäßiger und damit besser auszulasten. Hierzu eignen sich insbesondere Offshore-Windkraftwerke. Dabei bietet sich die Möglichkeit, eine einzige Speichervorrichtung einem Kraftwerkspark mit einer Vielzahl von Windkraftwerken zuzuordnen oder aber mehreren oder jedem dieser Windkraftwerke eine eigene Speichervorrichtung zu geben.The inventive device is particularly suitable for integration into a power plant, and indeed preferably such a power plant, the electric current fluctuating from generated renewable energy. Such power plants are especially wind power plants with a rotor and a generator and / or Solar power plants based on solar collectors and / or photovoltaic elements and / or Power plants for the use of ocean currents. Such integrative solutions offer synergy effects because existing installations of the power plant, for example, foundations, towers, Masts, generators or gears, for the storage device according to the invention can be used. Furthermore this integration offers the possibility the smoothing to carry out the electricity production at the place of production itself and thereby the power lines more evenly and thus better utilization. Offshore wind power plants are particularly suitable for this purpose. It offers the opportunity a single storage device with a power plant park Assign variety of wind power plants or several or more to give each of these wind power plants their own storage device.
Sofern das Kraftwerk als Windkraftwerk ausgebildet ist, bietet sich die Möglichkeit, dass der Antrieb von dem Rotor des Windkraftwerks gebildet wird, der mechanisch mit dem Auftriebskörper so verbindbar ist, dass er über den von Windkraft in Drehung versetzten Rotor abgesenkt werden kann. In diesem Fall bietet es sich an, den Generator des Windkraftwerks als Umwandler für die Umwandlung der Bewegungsenergie des Auftriebskörpers beim Ausspeichern von Energie zu verwenden, indem der Generator mechanisch mit dem Auftriebskörper verbunden wird. Auf diese Weise kann bei der erfindungsgemäßen Speichervorrichtung auf einen eigenen Antrieb und einen eigenen Umwandler verzichtet werden.Provided the power plant is designed as a wind power plant, offers the Possibility, that the drive is formed by the rotor of the wind power plant, which is mechanically connected to the buoyant body so that he over can be lowered by the rotor in rotation offset rotor. In this case, it makes sense, the generator of the wind power plant as a converter for the conversion of the kinetic energy of the buoyant body during the withdrawal of energy by using the generator mechanically with the buoyancy is connected. In this way, in the storage device according to the invention to dispense with its own drive and its own converter.
Ein weiterer Synergieeffekt lässt sich dadurch erzielen, dass das Windkraftwerk mit seinem Mast und/oder seinem Fundament in die Flüssigkeit – bei Offshore-Anordnung in das Meer – eintaucht und der Auftriebskörper am eintauchenden Teil des Windkraftwerks höhenbeweglich geführt ist. Dies kann an dem Mast des Windkraftwerks geschehen, oder an in das Wasser eintauchenden Schwimmerfüßen, wenn das Windkraftwerk ein schwimmendes Fundament hat. Sofern das Windkraftwerk im eingetauchten Bereich mehrere Säulen aufweist, kann der Auftriebskörper in mehrere Auftriebskörperteileinheiten aufgeteilt sein, die an den Säulen geführt sind. Die Führung kann in beliebiger Weise, beispielsweise über Schienen oder dergleichen, erfolgen.One further synergy effect leaves be achieved by the fact that the wind power plant with his mast and / or its foundation in the liquid - in offshore arrangement into the sea - dives and the buoyancy body is guided vertically movable at the dipping part of the wind power plant. This can be done on the mast of the wind power plant, or on in the Water immersed swimmers feet, though the wind power plant has a floating foundation. Unless the wind power plant In the submerged area has several columns, the buoyant body in several buoyant body subunits be split at the pillars guided are. The leadership can in any way, for example on rails or the like, respectively.
Für die Übertragung der Bewegung des Auftriebskörpers eignet sich vor allem ein Seil, an dem der Auftriebskörper gehalten ist und das mit dem Antrieb und dem Umwandler verbunden ist. Die Flexibilität solcher Seile ermöglicht eine weitgehend beliebige Führung des Seils und gibt erhebliche Freiheit in der Anordnung von Antrieb und Umwandler, wenn hierfür nicht das Windkraftwerk selbst herangezogen wird, also insbesondere im Fall einer Stand-Alone-Anordnung. So kann das Seil beispielsweise zu einer Station unterhalb der großen Flüssigkeitstiefe geführt werden, die mit dem Antrieb und dem Umwandler versehen ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Antrieb und/oder den Umwandler auf oder an dem Auftriebskörper selbst anzuordnen. Diese Lösungen bieten sich bei Stand-Alone-Anordnungen an.For the transmission the movement of the buoyancy body is especially suitable for a rope on which the buoyancy body is and that is connected to the drive and the converter. The flexibility allows such ropes a largely arbitrary leadership of the rope and gives considerable freedom in the formation of propulsion and converter, if that not the wind power plant itself is used, so in particular in the case of a stand-alone arrangement. For example, the rope can be guided to a station below the large fluid depth, which is provided with the drive and the converter. It exists, however also the possibility the drive and / or the converter on or on the buoyant body itself to arrange. These solutions are available in stand-alone arrangements at.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Station eine Umlenkeinrichtung aufweist, über die das Seil Ver bindung zu dem Antrieb und/oder dem Umwandler hat. In diesem Fall kann der Antrieb und/oder der Umwandler oberhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet werden, beispielsweise in einem Schwimmkörper oder bei Integration mit einem Wind- oder Solarkraftwerk in oder an dessen Kraftwerkskörper.alternative For this purpose, it may be provided that the station has a deflection device has, over which has the cable connection to the drive and / or the converter. In this case, the drive and / or the converter above of the liquid level be arranged, for example in a float or when integrated with a wind or solar power plant in or on its Power plant body.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auftriebskörper mit einem Gewichtskörper als Energiespeichermedium kombiniert ist, dessen spezifisches Gewicht größer ist als das der Flüssigkeit, und dass der Gewichtskörper vertikal beweglich geführt ist und mit einem Antrieb derart verbunden ist, dass der Gewichtskörper durch den Antrieb anhebbar ist, und dass der Gewichtskörper mit einem Umwandler derart verbunden ist, dass seine Bewegung beim Absenken in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Gewichtskörper unterstützt die Ein- und Ausspeicherung von Energie durch den Auftriebskörper. Dabei können Auftriebskörper und Gewichtskörper über ein Seil oder mehrere Seile derart miteinander verbunden sein, dass sie sich – paternosterartig – gegenläufig bewegen und über einen einzigen Antrieb angetrieben sind und/oder mit einem einzigen Umwandler verbunden sind.To a further feature of the invention it is provided that the buoyant body with a weight body is combined as an energy storage medium, its specific gravity is larger as that of the liquid, and that the weight body is vertical movably guided is and is connected to a drive such that the weight body through the Drive is liftable, and that the weight body with a converter such connected is that its movement when lowering into electrical Energy is converted. The weight body supports the Injection and withdrawal of energy by the buoyant body. there can buoyancy and weight body over Rope or more ropes be connected together so that they move in opposite directions - paternoster-like and over a single drive are driven and / or with a single Converters are connected.
Die Anordnung des Gewichtskörpers kann auch oberhalb des Flüssigkeitsspiegels erfolgen, zumal dort der Strömungswiderstand gering ist. Dies kann in Kombination mit einem Windkraftwerk innerhalb oder an der Außenseite des Mastes geschehen. Insbesondere bei einer Stand-Alone-Anordnung ist es jedoch schon aus optischen Gründen zweckmäßiger, den Gewichtskörper unterhalb des Flüssigkeitsspiegels parallel zum Auftriebskörper anzuordnen, so dass er zwischen einer niedrigen und einer hohen Flüssigkeitstiefe hin- und herbewegbar ist und dabei die Führungseinrichtungen des Auftriebskörpers genutzt werden können.The Arrangement of the weight body can also be above the liquid level take place, especially there the flow resistance is low. This can be combined with a wind turbine inside or on the outside happened to the mast. Especially with a stand-alone arrangement it is but for visual reasons more appropriate, the body weight below the liquid level parallel to the buoyant body to arrange so that he between a low and a high fluid depth is reciprocable while using the guide means of the buoyant body can be.
Der Gewichtskörper kann beispielsweise aus einem mit Beton, Sand oder Felsbrocken gefüllten Behälter bestehen. Es versteht sich, dass nicht nur ein einziger Gewichtskörper, sondern auch mehrere Gewichtskörper vorgesehen sein können, die sich gleichsinnig bewegen und entweder eigene Antriebe und Umwandler haben oder mit dem Antrieb und Umwandler in Verbindung stehen, mit denen auch der Auftriebskörper gekoppelt ist. Die Kombination von Auftriebskörper und Gewichtskörper empfiehlt sich vor allem dann, wenn die Speichervorrichtung mit einem schwimmenden Kraftwerk kombiniert wird. In diesem Fall wird die Auftriebskraft des Auftriebskörper zumindest teilweise kompensiert, wobei auch eine vollständige Kompensierung erreicht werden kann. Damit wird die Stabilität des schwimmenden Kraftwerks durch die Kombination mit der Speichervorrichtung nicht oder nur unbedeutend beeinträchtigt.Of the body weight may for example consist of a container filled with concrete, sand or boulders. It is understood that not only a single weight body, but also several weight bodies can be provided who move in the same direction and either own drives and converters or communicate with the drive and converter with which also the buoyancy body is coupled. The combination of buoyancy and weight recommends especially if the storage device with a floating Power plant is combined. In this case, the buoyancy force the buoyancy body at least partially compensated, with a full compensation can be achieved. This will increase the stability of the floating power plant by the combination with the storage device not or only insignificantly impaired.
Nach der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Auftriebskörper in mehrere Auftriebskörperteileinheiten aufgeteilt ist, die vorzugsweise durch ein Netz zusammengehalten sind. Durch das Netz kann eine flächige Krafteinleitung vorgenommen werden. Auftriebskörper bzw. die Auf triebskörperteileeinheiten können als jeweils starre Körper ausgebildet sein, beispielsweise in Kugel- oder Zylinderform. Sie sind dann zweckmäßigerweise hohl ausgebildet, können aber auch mit einem geschlossenporigen Schaumstoff ausgefüllt sein, damit sie bei Undichtigkeiten nicht volllaufen. Alternativ dazu kann der Auftriebskörper bzw. können die Auftriebskörperteileinheiten auch aus flexiblen Behältern bestehen, wenn sie eine Innenabstützung aufweisen, die eine Komprimierung des Behälters bei steigendem Wasserdruck vermeiden. Die Innenabstützung kann beispielsweise aus einem Hartschaumstoff, einer Flüssigkeit, die leichter als die umgebene Flüssigkeit ist, oder aus Druckluft bestehen. Es kann jedoch auch ein entsprechendes Innengerüst vorgesehen sein.To the invention is further provided that the buoyancy body in several buoyant body subunits is split, which is preferably held together by a network are. Through the network, an area force can be applied become. buoyancy or on the drive body parts units can as each rigid body be formed, for example in spherical or cylindrical shape. she are then expediently hollow, but can also be filled with a closed-cell foam, so that they do not run full of leaks. Alternatively can the buoyant body or can the buoyant body parts units too from flexible containers If they have an internal support, which is a compression of the container Avoid with increasing water pressure. The inner support can for example, from a rigid foam, a liquid, the lighter than the surrounding liquid is, or consist of compressed air. However, it can also be provided a corresponding inner frame be.
Die erfindungsgemäße Speichervorrichtung eignet sich auch als Alternative zu Fotovoltaik-Modulen und Akkumulatoren für beispielsweise Signalbojen oder dergleichen.The Inventive storage device is suitable also as an alternative to photovoltaic modules and accumulators for example Signal buoys or the like.
In der Zeichnung ist die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:In the drawing is the invention is based on embodiments illustrated in more detail. It demonstrate:
In
Die
Motor-Generator-Einheit
In
Das
Windkraftwerk
Beidseits
des in das Wasserreservoir
Die
Auftriebsteilkörper
Die
Unterseite des Stahlrahmens
Wenn
der Windrotor
Die
Auftriebsgeschwindigkeit liegt bei einem 5 MW Generator bei 0,17
m/s. Der Strömungswiderstand
ist entsprechend gering. Bei 30 m nutzbarer Hähe erreicht der Auftriebskörper
In
Der
Rotormast
An
jeder Fußsäule
Die
Auftriebskörper
Wenn
der Windrotor
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